动车组传动与控制作业答案(第5章)

1《动车组传动与控制》参考答案作业三(5章)一、名词解释：1.电流型牵引变流器：交-直-交流传动系统中，牵引变流器由网侧整流器、直流中间环节、电动机侧逆变器及控制装置组成。根据中间直流环节滤波元件的不同，牵引变流器可分为电压型和电流型两种。电流型牵引变流器直流中间环节的储能器采用电感，相当于恒流源，向逆变器输出的是恒定的直流电流。2.电压型牵引变流器：交-直-交流传动系统中，牵引变流器由网侧整流器、直流中间环节、电动机侧逆变器及控制装置组成。根据中间直流环节滤波元件的不同，牵引变流器可分为电压型和电流型两种。电压型变流器直流中间环节的储能器采用电容器，向逆变器输出的是恒定的直流电压，相当于电压源。3.两电平式逆变器：逆变器将直流转换为交流。两电平式逆变器，把直流中间环节的正极电位或负极电位接到电动机上，即逆变器的输出相电压为两种电平。4.三电平式逆变器：逆变器将直流转换为交流。三电平式逆变器，除了把直流中间环节的正极或负极电位送到电动机上去以外，还可以把直流中间环节的中点电位送到电动机上去，即输出相电压为三种电平。二、简答题：1.简述牵引变流器的类型及特点。答：牵引变流器是交流传动系统的核心部件，交-直-交流传动系统中，牵引变流器由网侧整流器、直流中间环节、电动机侧逆变器及控制装置组成。牵引变流器根据中间直流环节滤波元件的不同，可分为电压型和电流型两种。电压型变流器直流中间环节的储能器采用电容器，向逆变器输出的是恒定的直流电压，相当于电压源；电流型变流器直流中间环节的储能器采用电感，相当于恒流源，向逆变器输出的是恒定的直流电流。现代轨道列车交流传动领域大多都采用电压型变流器。根据逆变器输出交流侧相电压的可能取值情况，将电压型逆变器分为两电平式和三电平式。两电平式逆变器，可以把直流中间环节的正极电位或负极电位接到电动机上去；三电平式逆变器，除了把直流中间环节的正极或负极电位送到电动机上去以外，还可以把直流中间环节的中点电位送到电动机上去，含有较少的谐波，其输出波形得到了改善，但需要更多的器件。在交流传动领域，当中间电路直流电压U2.7～2.8KV时，主电路中变流器通常采用两电平式电路；当U3KV时，宜采用三电平式电路结构。2.简述电压型四象限脉冲整流器的基本工作原理。答：图1为忽略变压器牵引绕组电阻RN的脉冲整流器简化的等效电路。变压器牵引绕组的输出电压为uN、漏电感为LNuNLNuabiN图1脉冲整流器的简化等效电路脉冲整流器的电压矢量平衡方程为：NNNabUjLIU式中UN为二次侧牵引绕组电压相量；IN为二次侧牵引绕组电流的基波相量；Uab为调制电压的基波相量。2当UN一定时，IN的幅值和相位仅由Uab的幅值及其与UN的相位差来决定。改变基波相量Uab的幅值和相位，就可以使IN与UN同相位或反相位。在牵引工况下，IN与UN的相位差为0°，该工况下的相量图如图2（a）所示，此时Uab滞后UN；而对于再生制动工况，IN与UN的相位差为180°，该工况下的相量图如图2（b）所示，此时Uab超前UN，电机通过脉冲整流器向接触网反馈能量。jωLNINUabjωLNINUNUabINUNIN（a）（b）图2脉冲整流器简化基波相量图由四象限脉冲整流器等效电路及相量图,有：dabNNNNNNabUUMILkUILUU/2)(222式中k—变压器短路阻抗电压的标幺值，牵引变压器一般取0.3～0.35；M—整流器的调制度，一般取M=0.8～0.9；Ud—直流侧输出电压。由上式计算可得到MUkUNd/)1(22由此可见，Ud与UN成正比关系，与整流器的调制度M成反比关系。3.简述两电平脉冲整流器PWM控制原理。答：两电平脉冲整流器采用SPWM调制。理想电子开关的状态选择，通过PWM过程中调制波与载波间的相互关系产生，在调制波与载波交点时刻控制电路中开关元件的通断，按照A、B两端分别产生相应的开关状态值。A、B两端的调制信号相位相反，而载波信号相位相同，也可共用一个载波信号。调制方式如图所示。两电平PWM信号调制方式当A端调制波urAuc，电子开关SA=l，否则SA=0。当B端调制波urBuc，电子开关SB=1，否则SB=0。34.简述电压型四象限脉冲整流器的特征。答：脉冲整流器是利用电抗器的储能，达到整流、升压、稳压的目的，四象限脉冲整流器能够达到网侧功率因数接近1，并能实现电能的反馈。四象限脉冲整流器能够执行脉宽调制和能量变换，即整流或反馈两方面的功能。这种整流器能够在输入电压和电流平面所在的四个象限中工作。作为电力牵引用的变流器，相应能够实现牵引、制动状态下前进、后退四种工况。四象限脉冲整流器的突出优点是网侧功率因数高，可达到1，等效谐波干扰电流小。5.简述牵引变流器中间直流储能环节的作用和组成。答：在交—直—交流变流器中，中间直流储能环节是连接四象限脉冲整流器和负载端逆变器之间的纽带。它不仅起到稳定中间环节直流电压的作用，而且还承担着与前后两级变流器进行无功功率交换和谐波功率交换的作用。电压型脉冲四象限变流器中间直流环节由两个部分组成：一个是相应于2倍电网频率的串联谐振电路（也可以取消），另一个是滤波电容器（支撑电容器）和过电压限制电路。6.简述动车组牵引控制系统的主要控制目标。答：动车组牵引控制系统的主要控制目标是：（1）网侧功率因数接近于1，电流畸变小；（2）在网压波动时中间直流电压保持恒定；（3）在负载或供电电压波动时具有快速响应的动态性能，保持良好的稳态运行能力；（4）启动平稳，谐波转矩小，启动力矩恒定；（5）在宽广的速度范围内实现恒功率控制。目前动车组牵引控制常采用的控制策略有脉冲整流器瞬态直接电流控制；牵引逆变器—异步电机驱动系统磁场定向矢量控制和直接转矩控制。7.简述CRH1型动车组牵引传动系统主电路的组成、各组成部分所包括的主要设备。答：CRH1型动车组牵引传动系统主电路主要由高压系统和牵引系统电路构成，此外CRH1型主电路还包括辅助供电系统。高压系统：包括受电弓、主断路器、主变压器初级绕组、电流互感器、电压互感器、避雷器、接地开关、网侧滤波器、受电弓切断开关等部件。牵引系统：从主变压器次级绕组开始，包括网侧变流器LCM、电机变流器MCM、滤波器箱、牵引电动机等。辅助供电系统：包括辅助变流器、三相滤波器、三相变压器等和蓄电池系统。4图1CRH1型动车组主电路图8.简要分析CRH2型动车组辅助供电系统。答：CRH2型动车组的辅助供电系统由牵引变压器辅助绕组、辅助电源装置、蓄电池、辅助及控制用电设备、地面电源等几部分组成。辅助电源装置由辅助电源箱（AuxiliaryPowerUnit，简称APU）和辅助整流箱（AuxiliaryRectifier，简称ARf）两部分组成。其中辅助及控制用电设备包括各种交流及直流用电设备。CRH2型的辅助供电系统从牵引变压器辅助绕组获取单相交流电，由辅助变流器经交-直-交变换后输出三相AC400V的交流电，通过交流滤波器滤波后为三相交流辅助电源母线供电并通过三相交流辅助电源母线分配给不同负载。通过接至交流辅助电源母线的变压器获得单相AC100V、AC220V电压。通过整流变压器和整流器获得DC110V电源，为直流用电设备和蓄电池供电。其系统结构如下图所示5CRH2型的辅助供电系统结构图三、综合分析题：试分析CRH2型动车组牵引传动系统的特点。CRH2型动车组牵引传动系统采用交流传动，在牵引变压器、牵引变流器、牵引电机、控制策略等方面有如下特点：（1）牵引变压器采用壳式结构、车体下吊挂安装、油循环强迫风冷，原边采用两组并联结构的绕组，从而增加了每相牵引绕组的容量；牵引绕组为两个独立线圈，确保牵引绕组的高电抗、弱耦合性。（2）牵引变流器主电路采用两主管串联与中点带箝位二极管的方案，功率开关器件采用IPM智能功率模块或IBGT模块。其中IPM是将芯片、驱动电路、保护电路等封装在一个模块内的新型电力电子器件，是IGBT集成化、智能化的一种应用方式。除具有IGBT的优点外，驱动功率小，吸收回路简单，器件模块本身具有检测和自保护功能，可以采用多个并联以增大电流容量。（3）脉冲整流器采用单相三点式PWM脉冲整流器，具有以下优点：每一个功率器件所承受的关断电压仅为直流侧母线电压的一半，在相同的情况下，直流母线电压可以提高一倍，容量也提高一倍；在同样的开关频率及控制方式下，输出电压或电流的谐波大大小于两点式变流器，其总的谐波失真THD也远小于两点式变流器；即使在开关频率很低时，其输入侧的电流波形也能保证一定的正弦度。从而减小对通信系统的谐波干扰。（4）牵引变流器中间直流环节不设二次谐波滤波装置，减轻了牵引变流器质量。（5）逆变器采用三点式拓扑结构，与二点式逆变器相比，端电压波形包含较少的谐波分量。在一个周期内，两点式逆变器电路只有7种状态，而三点式有19种，有利于减小相邻电路状态转换时引起的电压和电流波动，从而有利于降低损耗，提高电动机效率，减少脉动转矩。（6）牵引电机具有良好的牵引特性，可以实现宽范围的平滑调速，使动车组启动时发出较大的启动转矩；异步电机结构简单，可靠性高，同直流电机比较，没有因换向引起的电气损耗和机械损6耗，没有环火，运行可靠性进一步提高；耐振动、耐风雪，可以在多尘、潮湿等恶劣环境下正常运行；电机过载能力强；转速高，功率／质量比高，有利于电机悬挂；转矩—速度特性较陡，可抑制空转，提高黏着利用率。（7）牵引电机采用矢量控制策略，把定子电流分解成转子磁场定向坐标系下的励磁电流分量和转矩电流分量，实现了定子电流的完全解耦，控制方式简单，使整个牵引传动系统具有良好动态性能和控制精度。